交流电磁场裂纹实时判定与评估方法

2019-04-19文艳

无损检测 2019年4期

，，文艳，，，,，

(1.中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心，青岛 266580；2.渤海卡麦龙流体控制设备(天津)有限公司，天津 300280)

交流电磁场检测(ACFM)技术具有非接触测量、无需标定、数学模型精确、对结构物表面要求低等优点，非常适合于海洋结构物的缺陷检测[1-3]。其检测原理是：利用通有正弦激励信号的载流线圈在工件表面感应出一定的匀强电流区域，如果工件表面存在缺陷，匀强电流会从裂纹两端绕过，裂纹中心处的电流就变得稀疏，使得x方向的磁通密度Bx出现波谷，同时，裂纹两端电流聚集，使得z方向的磁通密度Bz出现波峰和波谷[4-5]。

ACFM技术在检测海洋结构物时，探头提离高度难免会发生变化或者受到扰动影响，检测传感器很容易引入干扰信号。传统的基于信号特征或者蝶形图的判别方法可能将干扰信号作为缺陷信号，造成缺陷的误判[6]。同时，基于信号特征或者蝶形图的判别方法要在完成整个缺陷检测后才能进行数据处理和判定，难以实现实时判定与评估[7]。

针对以上问题，笔者建立了ACFM阵列探头检测系统并提取裂纹特征信号，采用能量谱和相位导数相结合的阈值判定方法实时获取裂纹特征信号，利用阈值参数对裂纹的危险等级进行了评估。结果表明：基于能量谱和相位导数阈值的判别方法搭建的ACFM裂纹检测系统能够实现裂纹的实时判别与评估，对于海洋结构物缺陷的检测具有重要意义。

图1 ACFM裂纹检测系统框图与实物图

1 系统搭建

根据ACFM技术原理，设计了交流电磁场裂纹检测系统，其系统框图与实物图片如图1所示。系统的信号源基于直接数字频率合成技术(DDS)，利用AD 9850芯片作为信号激励源芯片，结合8位微控制器AT89S52控制芯片，输出频率为6 kHz，幅值为1 V 的正弦激励信号，激励信号经过功率放大加载至激励线圈。检测时，激励线圈在试件表面感应出垂直于裂纹的匀强电场，电场经过缺陷时发生畸变，引起空间磁场发生畸变；检测线圈拾取磁场畸变信号并转化为电信号传输至调理电路。信号经过调理电路放大和滤波处理，被检测线圈检测得到，再经过采集卡传输至计算机(PC)[8-11]。计算机通过工控机控制试验台运动，试验台带动探头在试件表面扫描。计算机内部基于LABVIEW和MATLAB软件编写的智能可视化算法能够对采集到的缺陷信号进行分析处理，显示缺陷特征信号并对缺陷危险等级进行预警。

为了避免漏检，增加检测范围，ACFM探头采用1×3阵列检测传感器探测畸变磁场信号，其结构框图与实物图片如图2所示。其中，激励线圈在U型锰锌铁氧体磁芯横梁上缠绕500圈。检测线圈由共同缠绕在矩形磁芯的两个线圈组成，x方向线圈在磁芯上缠绕150圈，用于提取x方向的磁通密度(沿着裂纹方向)；z方向线圈在磁芯上缠绕200圈，用于提取z方向的磁通密度(垂直于试件)。检测线圈排布在U型磁芯的正下方，间距为5 mm[10]。

图2 阵列检测探头结构框图与实物图片

试件为(长×宽×厚)400 mm×400 mm×20 mm的低碳钢板，裂纹为电火花加工的矩形缺陷。利用设计的交流电磁场检测系统对其中一条长40 mm，宽0.5 mm，深6 mm的裂纹进行检测，探头下方中间传感器输出的裂纹信号如图3所示。

图3 裂纹的ACFM特征信号

由图3可以看出，特征信号Bx出现波谷，与此同时，在同样位置处特征信号Bz产生方向相反的峰值。特征信号的畸变规律与ACFM原理一致，表明设计的交流电磁场检测系统能够实现裂纹特征信号的测量。

2 基于能量谱和相位导数阈值的判定方法

2.1 能量谱阈值判定方法

设fT(t)为时域信号，FT(ω)为fT(t)的傅里叶变换，根据帕塞瓦尔定理，fT(t)的能量ET可表示为[12]

(1)

(2)

式中:Qf为信号的能量谱(密度)。

由式(1),(2)可计算出信号Bx的能量谱(见图4)。由图4 可以看出，Bx信号畸变量峰值区域大于Bz的信号峰值区域，为了使得裂纹长度的估算拥有更多的安全余量，对Bx信号求能量谱，依据Bx信号峰值位置对应的能量谱数值，来确定裂纹长度的判定阈值。

图4 裂纹Bx,Bz信号幅值及Bx能量谱曲线

由图4可以看出，位于裂纹区域的Bx能量谱曲线处于下降状态。对于试验中的40 mm裂纹，Bx峰值位置处对应的能量谱阈值为285.8。对于任意检测到的Bx信号实时求能量谱，当能量谱数值小于规定阈值时，则可以实时评估裂纹的长度信息。

针对试件上深度和宽度相同、长度不同的裂纹进行测试，得到不同长度的裂纹特征信号Bx的能量谱阈值，如表1所示。

利用表1中数据，借助MATLAB软件多项式拟合，得到不同长度裂纹的能量谱阈值，如图5所示。

表1 不同长度裂纹的Bx能量谱阈值

图5 不同裂纹的能量谱阈值与裂纹长度拟合曲线

可以看出，随着裂纹长度的增加，能量谱阈值不断增大。依据该特性曲线可根据裂纹长度判定要求自适应地调节能量谱阈值Q的初始设定值。能量谱阈值Q与裂纹长度L之间的多项式函数关系为

Q=0.000 158 2L3+0.016 01L2+

0.082 67L+246.7

(3)

图6 Bz相位变化关系

2.2 相位导数谱阈值判定方法

由于检测线圈进入裂纹区域时，内部的磁通密度方向发生改变，造成z方向线圈进入缺陷时Bz的相位发生变化[13-14]。如图6所示，当检测传感器进入裂纹时，Bz的相位有两次翻转突变，Bz相位导数变化出现三个峰值，正的峰值位于裂纹的中心，负的峰值位于裂纹长度方向的两侧。同时，在检测线圈未进入裂纹区域时，Bz的相位保持恒定，其导数为0。因此，Bz相位导数变化属于裂纹的另一明显特征信号，选定Bz相位的导数作为裂纹实时判定的又一依据。

2.3 基于能量谱和相位导数阈值的判定算法

依据Bx能量谱和Bz相位导数阈值的裂纹实时判定方法的计算流程如图7所示，主要步骤如下：

(1) 对于连续信号采用逐点方式对采集到的Bx、Bz和激励信号进行锁相放大和数据处理，得到Bx能量谱QEx和Ez相位φz。

(2) 判断QEx与初始设定阈值Q的大小关系。若QEx不大于Q，则保存数据。对Bz相位求导得到Dz。

(3) 判断Dz是否满足要求(文中相位判断设有余量，Ez相位导数阈值设为180)。Dz大于等于180，则视为有效数据，数据i增加一次；若Dz小于180，则按照Bx能量谱阈值曲线递增更新阈值Q并清空保存的缺陷数据，并继续进行阈值大小判定。若QEx大于Q，则舍弃该数据。

(4) 判断i是否等于连续点数N，若该缺陷连续N个点满足能量谱和相位导数阈值判定方法,则判定缺陷存在；若i不满足连续N个点满足阈值判定方法规则,则视为干扰信号，重新开始数据的判定。

可见，文章设计的基于能量谱和相位导数阈值的判定算法能够自动更新阈值，可有效实现连续信号的缺陷实时判定，且该算法可排除其他非缺陷的干扰信号。

3 裂纹判定及评估试验

裂纹长度是缺陷的关键因素，且裂纹长度相关特征信号在ACFM检测技术中易于提取。裂纹预警等级参数可根据工程实际裂纹长度预警值设置，试验将裂纹危险程度按照长度分设为低预警(20 mm以下)、中预警(20～50 mm)和高预警(50 mm以上)3个等级。依据裂纹判定最终显示的阈值结果对裂纹危险等级进行评估。

3.1 裂纹判定及评估软件

基于能量谱阈值和相位导数的阈值的裂纹判定与评估软件界面如图8所示。其主要由检测平台控制模块、DAQ采集模块、锁相放大模块、特征信号模块、阈值模块和裂纹状态评估模块组成。检测平台控制模块主要用于控制试验台的运动，DAQ采集模块用于设定信号采集参数，锁相放大模块主要用于提取Bz相位信息，特征信号实时显示缺陷的Bx和Bz信号，阈值设定模块用于设定初始阈值并自动更新阈值，裂纹状态评估模块可根据阈值参数对裂纹危险等级进行预警。

图8 裂纹判定与评估软件界面

3.2 裂纹检测试验

试件为(长×宽×厚)400 mm×400 mm×20 mm的普通低碳钢板，裂纹由电火花加工而成，其尺寸(长×宽×深)为45 mm×0.5 mm×6 mm。激励信号为幅值1 V,频率6 kHz的正弦信号。设定好检测台架的控制参数、DAQ采集参数、锁相放大参数和初始阈值，利用检测台架带动探头在试件上方沿着裂纹方向以5 mm·s-1的速度扫描激励线圈，从而在试件表面感应出局部均匀电场，电场经过裂纹发生畸变，裂纹上方的3个检测线圈将提取磁场信号畸变量Bx和Bz，Bx和Bz被放大滤波处理，经过采集卡传输至计算机。计算机内部基于LABVIEW软件编写的锁相放大模块提取Bz相位信息，基于LABVIEW和MATLAB软件编写的缺陷判定与评估算法对裂纹进行判定与预警[15-16]。最终，软件显示3个检测线圈拾取的裂纹特征信号及判定与评估结果，如图9所示。

图9 裂纹检测判定与评估结果

从图9可以看出，在2号检测线圈位置(中间传感器)信号Bx出现波谷，Bz出现相反的峰值，符合ACFM原理的特征信号。同时，软件基于能量谱阈值和相位导数判定方法对2号检测线圈得到的缺陷特征信号进行判定和评估，结果显示危险等级为中预警。由于该裂纹长度为45 mm，属于裂纹阈值判定算法中的中预警范围，可见软件判定结果正确。1号检测线圈测试的特征信号较为微弱，Bx和Bz信号特征出现失真。3号检测线圈信号紊乱，看不出缺陷特征信号。因此2号传感器和3号传感器无法显示缺陷预警。由此可以看出，基于能量谱和相位导数阈值的ACFM裂纹实时判定与评估检测系统能够对裂纹实时判定，并进行危险等级评估。同时，由检测线圈的位置可确定裂纹的位置，实现定量与定位评估。